Лекция 7. Распространение химических элементов в коре и верхней мантии Земли. Понятие о кларках

Проблема количественного распределения химических элементов в земной коре, а также в мантии и Земле в целом принадлежит к числу основных и наиболее важных проблем геохимии.

По-настоящему историю проблемы отсчитывают от 1889 г., когда ею занялся Главный химик Геологической службы США Кларк, посвятив ей около 40 лет жизни. В этом году он впервые вычислил средний состав земной коры на основе 880 полных анализов изверженных горных пород. Кларк полагал, что земная кора на 95% состоит из таких пород, и поэтому оценки для них годятся и для коры в целом.

В честь него Ферсман в 1923 г. предложил термином «кларк» обозначать среднее содержание химического элемента в земной коре, какой-либо ее части, Земле в целом, в планетах и других космических объектах.

Впрочем, поначалу длительное время кларком называли только среднее содержание в земной коре – т.е. именно «числа Кларка». Надо сказать, что Вернадский не принял этой новации:

Рис. 2: Состав земной коры по Кларку-Вашингтону, 1924 г.

SiO₂ 59.12 MnO 0.12 H₂O 1.15

TiO₂ 1.05 MgO 3.49 CO₂ 0.10

Al₂O₃ 15.34 CaO 5.08 S 0.05

Fe₂O₃. 3.08 Na₂O 3.84 Прочие – 0.48

FeO 3.80 K₂O 3.13

----------------

100%

После Вернадского и наряду с ним, из русских геохимиков наибольший вклад в проблему кларков внесли: братья-профессора В.Н. и П.Н. Чирвинские, А.Е.Ферсман (1932), А.П. Виноградов (знаменитые работы 1956 и 1962 г.г.), петрограф С.П.Соловьев (1952), затем А.Б.Ронов и А.А.Ярошевский (работы 1967 и более поздние), А.А.Беус (1972, 1975), в самое последнее время – А.Б.Ронов, А.А.Мигдисов, А.А. Ярошевский (1980, 1990). О методах оценки кларков и о нашей работе с Ю.А.Ткачевым поговорим особо.

За рубежом же после Кларка наиболее мощный вклад в проблему был внесен в Германии в 19З0-х годах Виктором Гольдшмидтом и супругами Ноддак: Идой и Вальтером.

В послевоенные годы наиболее известные (часто используемые) таблицы кларков составили Турекьян и Ведеполь (1961) и Грин (1953). Особо надо отметить работу А.Полдерваарта (1955). Она важна новым методом взвешивания при расчете кларков породообразующих элементов, который был потом подхвачен у нас Роновым и Ярошевским.

К этому надо добавить многочисленных ученых, которые, подобно Ноддакам, посвятили свою жизнь химии и геохимии только одного элемента или небольшой группы. Им-то и принадлежат самые достоверные определения кларков этих элементов, на которых основываются все компиляции таблиц кларков. Например, геохимия мышьяка связана с именем японца Ониши, ртути – Саукова, таллия – Воскресенской, индия и таллия – Шоу, ниобия и тантала – Пачаджанова и т.д.

Современные радиометрические, нейтронно-активационные, атомно-абсорбционные и другие методы анализа позволяют с большой точностью и чувствительностью определять содержание химических элементов в горных породах и минералах. За более чем 100 лет, прошедших со дня опубликования таблицы Кларка, представления о кларках некоторых элементов изменились очень сильно, общая картина распространенности элементов выявилась достаточно отчетливо. Подтвердилось гениальное положение Вернадского о рассеянном состоянии химических элементов, которое Н.И.Сафронов предложил именовать законом Кларка–Вернадского. Итак, все элементы есть везде.

Для чего используют кларки?

Как правило, геохимик пользуется кларком для того, чтобы сравнить найденное им содержание какого-либо компонента в конкретном объекте с каким-либо кларком. Но что значит «сравнить»? Это значит – вычислить отношение и получить некую безразмерную величину. Поэтому в 1937 г. Вернадский предложил называть кларком концентрации (КК) отношение содержания элемента в данной системе к его кларку в земной коре. Это очень удобное понятие, им широко пользуются. Например, мы изучаем какую-то ультраосновную породу и определили содержание MgO = 20%. Если мы возьмем кларк «земной коры», вычисленный в свое время самим Фрэнком Кларком, то получим: КК = 20.0/3.49= 5.7. Итак, наша порода обогащена магнезией почти в 6 раз по сравнению со средней «земной корой».

Кларки земной коры, мантии и Земли в целом

Кларк включал в «земную кору» также атмосферу и гидросферу, однако массы этих двух оболочек сравнительно невелики, поэтому можно было оперировать в основном с изверженными горными породами верхних 10 миль (16 км) литосферы. По современным оценкам, объемы и массы земных оболочек выглядят, как показано в табл. 3:

--------------------------------------------------------

Таблица 3. Объемы и массы земных оболочек

Взято у Мейсона, 1971, с. 50

Оболочка	Мощность, км (средн.)	Объем, 10^27см^3	Средняя плотность, г/см^3	Масса 10^27 г	%
Атмосфера Гидросфера Кора Мантия Ядро В целом	до 1000^* 3.80 2883^**	0.0137 0.008 0.899 0.175 1.083	1.03 2.8 4.5 11.0 5.52	5*10^–6 141*10^–5 0.024 4.016 1.936 5.976	9*10^–5 0.024 0.4 67.2 32.4 100.00

^* по Перельману, 1989, с. 124

^** верхняя мантия – до 400 км, переходная – 400–1000, нижняя – до

2900 км (Перельман, 1989, с. 38)

-------------------------------------

По современным оценкам, изверженных пород в коре не более 50%, а 40% составляют породы метаморфические. На осадочные породы приходится около 7%.

По представлениям А.А.Беуса, почти половина твердой земной коры состоит из кислорода (46%). На втором месте стоит кремний (кларк 29.5), на третьем алюминий (8.05). В сумме они составляют 84.55%. Если к этому числу добавить Fe (4.65), Ca (2.96), Na (2.5), K (2.5), Mg (1.87), Ti (0.45), то получим 99.48%, т.е. практически вся земная кора.

Остальные 80 элементов занимают менее 1%. Кларки большинства из них не превышают 0.01–0.0001%. Такие элементы называются редкими. Если они обладают слабой способностью к концентрации, то именуются редкими рассеянными (Br, In, Ra, I, Hf, Re, Sc и др.). Например, у U и Br кларки почти одинаковы (2.5 г/т и 2.1 г/т), но U просто редкий элемент, т.к. известны его месторождения, а Br – редкий рассеянный, т.к. он почти не концентрируется в земной коре.

Когда был установлен средний состав земной коры, возник вопрос о причине столь неравномерного распространения элементов. Его стали связывать с особенностями строения атомов.

Другая особенность распространенности элементов («правило Оддо–Гаркинса») установлена в 1914 г. итальянцем В.Оддо и более детально в 1915–28 г.г. американцем В.Харкинсом (изучавшим метеориты). Они установили, что в земной коре преобладают элементы с четными порядковыми номерами и атомными массами. Среди соседних элементов у четных кларки почти всегда выше, чем у нечетных. Для первых по распространенности 9 элементов массовые кларки четных составляют в сумме 86.43%, кларки нечетных – 13.03%.

Особенно велики кларки элементов, атомная масса которых делится на 4. Это O, Mg, Si, Са и т.д.

По Ферсману, ядра типа 4q (q – целое число) слагают 86.3% земной коры. Менее распространены ядра типа 4q+3 (12.7%) и совсем мало ядер 4q+1 и 4q+2 (1%).

Отмечено также, что среди четных элементов, начиная с Не, наибольшими кларками обладает каждый шестой: O (№ 8), Si (№ 14), Ca (№ 20), Fe (№ 26).

Для нечетных существует аналогичное правило (начиная с Н): N (№ 7), Al (№ 13), K (№ 19), Mg (№ 25).

Дата добавления: 2014-01-03